固定床反应器的工艺设计
精选固定床反应器的工艺设计
CA = PFyo(1-x)／(RG*T(6.5555Fyo+ 急冷量)) CB = P(Fyo(5-x)+0.9急冷量)／(RG*T (6.5555Fyo+急冷量))若把这些CA和CB项代入式(6-32)，则： rv = - dCA/dθ = kCACB0.5 = Aexp(-E/RGT) (P／(RG*T(6.5555Fyo+ 急冷量)))1.5 Fyo(1-x) (Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5将上式与（6-8）合并：dx/dz = AcAexp(-E/RGT)(P/RG*T(6.5555Fyo+急冷量))1.5(1-x) (Fyo(5-x)+0.9急冷量)0.5
压降方程
开始可计算出∆P／z值，而后在每一步进行适当的压力校正。
实例，恒温反应器设计
H2C＝CH2十H2 → CH3一CH3 （6-9）这是一个放热反应，但它可在很小的恒温反应器中进行。铜—氧化镁为催化剂，把这些催化剂装在一个内径为9.35mm、长为280mm带水夹套的黄铜制的反应器管中。由于把37.85 l／min的水循环通过夹套，因而可得到大于5.67kJ／(m2 S K)的水膜传热系数和恒定的管壁温度。在此反应器内，9—79℃范围内的各种恒定温度下进行的许多试验证明，对氢气来说，式(6-9)表示的反应是一级的。通过给定下列条件可写出反应速率方程：rv = kCH (6-10)该系统中， η = 1
有时反应速率方程用分压而不是用浓度表示:rvp = A exp (-E/RT)PaαPbβ 式中，P是反应物或产物的分压，bar rv和rvp之间的关系是:rvp = rv (RT)α+β 式中R = 0.08314 m3 bar/(kmol K)
固定床反应器的设计计算
固定床反应器的设计计算固定床反应器是一种广泛应用于化工工业中的反应器。
它由一个固定的反应床和气体或液体通过床体流动的装置组成。
固定床反应器通常用于进行催化反应，例如催化剂的制备、氢气的生成以及石油炼制过程中的裂化反应等。
在设计固定床反应器时，需要考虑反应床的尺寸、催化剂的选择、反应温度和压力等因素。
下面将介绍固定床反应器的设计计算流程。
首先，设计固定床反应器时需要确定反应物的种类和摩尔比。
通过摩尔比可以计算出反应物的总流量以及各个组分的摩尔流量。
接下来，需要考虑反应床的尺寸和形状。
反应床通常为一根或多根管子，可以是圆柱形、方形或其他形状。
根据反应床的形状和尺寸，可以计算出反应床的体积。
在确定了反应床的尺寸后，需要选择合适的催化剂。
催化剂的选择应考虑反应的速率和选择性。
常见的催化剂有金属催化剂、氧化物催化剂和酸碱催化剂等。
选择催化剂后，需要计算催化剂的质量和体积。
在反应过程中，需要控制反应温度和压力。
反应温度对于反应速率和选择性具有重要影响。
根据反应的热力学数据和催化剂的性质，可以计算出反应的热效应和放热量。
根据反应的放热量和反应床的热传导性能，可以计算出反应床的冷却要求。
在设计固定床反应器时，还需要考虑反应物和产物的流动情况。
根据流动特性可以计算出反应床的压降和流速。
压降对于反应过程有重要影响，它影响着反应物在床体中的停留时间和反应速率。
最后，需要考虑反应物的进料方式和产物的排放方式。
进料和排放方式应选择合适的装置，以保证反应物的均匀分布和产物的高效排放。
在设计固定床反应器时，需要综合考虑以上因素，并进行相应的计算。
通过计算可以确定反应床的尺寸和形状、催化剂的选择、反应温度和压力以及进料和排放方式。
这些计算可以保证固定床反应器的高效运行和最佳性能。
总结起来，设计固定床反应器需要考虑反应物的种类和摩尔比、反应床的尺寸和形状、催化剂的选择、反应温度和压力、反应床的冷却要求、反应物和产物的流动情况以及进料和排放方式等因素。
固定床反应器的设计—固定床反应器特点与结构
间接换热式催化剂床层绝热操作方程
A-B 反应 x↑
B-C 换热 x不变
C-D 反应 x↑
D-E 换热 x不变
E-F 反应 x↑
F-G 换热 x不变
绝热操作线方程式： 表达温度与转化率的 关系。
反应热效应、绝热温 升、热熔、密度一定 时，反应段斜率相同
1.绝热式固定床反应器
（3）多段式催化床层温度的分布：间接换热式催化剂床层温度分布 和冷激（直接换热）式催化剂床层温度分布
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。 适应场合：反应热效应较大，反应速率慢的反应。 中间间接换热式：床层间加换热器（），调节温度。如：水煤气转换、二氧化硫的
氧化反应
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。 适应场合：反应热效应较大，反应速率慢的反应。
中间间接换热式：床层间加换热器（换热盘管），调节温度。如：环己醇脱氢制环己酮 及丁二醇脱水制丁二烯 。
换热盘管
1.绝热式固定床反应器
（2）多段式：有多段催化剂床层，反应和冷却间隔进行。适应反应 热效应较大，反应速率慢的反应。
冷激式：用冷流体直接与上一段出口气体混合来实现降温。多适应于工业上高压力操
•以高温烟道气为载体， 将反应所需热量在反应 管外通过管壁传给催化 剂层
生产实例：乙苯催化脱 氢制备苯乙烯。
2、换热式固定床反应器
（1）外换热式：以各种载热体为换热介质的对外换热式反应器多为 列管式结构。 载热体选择：
低于240℃----加压热水 250—300 ℃ -----导热油 300 ℃ -----熔盐（KNO353%，NaNO27%、NaNO340%） 600—700℃左右----烟道气
固定床反应器的操作与控制—固定床反应器工艺计算
n
dP xidi i 1
2、调和平均直径
1 n xi
dP d i1 i
在固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均直径较为符合实验数据。
三、空隙率（ε） 催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之比。
颗粒形状 颗粒装填方式 颗粒的粒度分布
颗粒表面的粗糙度
影响因素 越接近球形
越紧密 越不均匀
越光滑
为降低热点温度，减少轴向温差，工业上从工艺上采取措施，其思路是调 整放热速率或移热速率。
0302-6 固定床反应器的工艺计算
总结固定床反应器的工艺计算内容和计算方法 固定床反应器的工艺计算，一般包括催化剂用量、反应器床层高 度和直径、传热面积及床层压力降的计算等。
固定床反应器的工艺计算，主要有经验法和数学模型法。
务点及其要求
0302-1 固体催化剂基础知识 理解催化剂的作用、基本特征，固体催化剂的组成、性能及其表征 0302-2 气固相反应宏观过程 了解气固相反应特点，理解气固相反应宏观过程，了解气固相反应本征动力学及
宏观动力学的含义 0302-3 固定床反应器内的流体流动及压力降计算 理解气固相流体流动相关的特性参数，了解流体在固定床中流动的特性，会应用
项目03 乙苯脱氢反应器的设计与选型 任务0302 乙苯脱氢反应器工艺设计
任务引入：
中山石化原3万吨/年苯乙烯，采用绝热式固定床反应器，试根据以下条件： 主反应：
C6H5-C2H5→C6H5CH = CH2+Ｈ2 （△H=124KJ/mol） 副反应： C6H5-CH2CH3 →C6H6+C2H4 工艺条件：反应温度：550～650 ℃; 常压; 蒸汽 / 乙苯质量比：8：1; 催化 剂：沸石催化剂或EBZ-500 沸石催化剂; 年生产时间为8300小时，乙苯总转化 率达40%，选择性为96%，空速为4830h-1,催化剂堆积密度为1520Kg/m3，生产中 苯乙烯的损失可忽略. 确定（1）催化剂用量；（2）床层的压力降；（3）所需换热面积。
2015年固定床反应器设计计算
4次方
23
范德霍夫方程
2021/10/10
24
5.设计实例
Enzh2o02u1L/iu1,0N/1o0rthwest University, Xi’an
25
5.设计实例
物料衡算
Enzh2o02u1L/iu1,0N/1o0rthwest University, Xi’an
对外换热式反应器
5
2.固定床反应器---分类（换热）
自热式反应器
传热和温度控制是难点，固定列管式固定床反应器性能较好 反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50; 填充段长与粒径之比大于100(气体)或200(液体)
Enzh2o02u1L/iu1,0N/1o0rthwest University, Xi’an
的反应。 Enzh2o02u1L/iu1,0N/1o0rthwest University, Xi’an
3
1. 固定床反应器---概念
与流化床反应器及移动床反应器的区别在于
固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于
实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接
触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则
12
式（6-55）和（6-59）分别积分并整理得：
设计方程 操作方程
W xAf dxA
FA0 xA0 (rA)
T T 0y A 0 ( c P H A )(x A x A 0 )(x A x A 0 ) （6-60）
设计方程和操作方程联立求解，可求W。当动力学方程比 较复杂时，难以得到解析解。一般采用数值积分或图解法计算。
第六章_固定床反应器的工艺设计
第六章_固定床反应器的工艺设计固定床反应器是一种广泛应用于化工领域的反应设备，其工艺设计的主要目的是在满足反应物转化率和产品选择性的同时，考虑到反应器的稳定性、可操作性和经济性。
本文将从固定床反应器的工艺选择、反应器尺寸设计和操作条件优化三个方面进行详细讨论。
首先，在固定床反应器的工艺选择中，需要考虑反应物质的特性以及反应过程的要求。
例如，对于多相反应系统，可选择固液、固气或固液气等不同形式的反应器。
对于固液反应系统，通常采用固定床（如活性炭床）作为催化剂载体，而对于固气反应系统，常使用填充物（如陶瓷珠）来提供大表面积。
此外，还需要考虑反应物料的物理性质，如粘度、密度和颗粒大小等，以确定反应器的类型和结构。
其次，在固定床反应器尺寸设计中，主要考虑的是反应器的长径比、催化剂的活性、反应器的有效体积等因素。
反应器的长径比是一个重要的设计参数，过大的长径比会导致反应物料的流速过小，影响转化率；过小的长径比则会增加压力损失和催化剂层的温度梯度。
催化剂的活性直接影响反应速率，一般需要选择活性高、稳定性好的催化剂。
反应器的有效体积要足够大，以保证反应物集流时间足够，从而提高转化率。
最后，在操作条件优化方面，需要考虑反应温度、压力和流速等参数。
反应温度会直接影响反应速率和选择性，一般需要根据催化剂的特性和反应动力学进行调整。
反应压力主要考虑固定床压降和反应平衡的影响，需要在考虑反应速率和选择性的同时，保持固定床的稳定性。
流速则涉及反应物料的传质和传热问题，需要通过实验和模拟计算等方法进行优化。
综上所述，在固定床反应器的工艺设计中，需要综合考虑反应物质的特性、反应器尺寸和操作条件等因素，以达到高效、稳定、经济的反应过程。
在实际工程应用中，还需要结合实际生产中的具体要求和限制条件，进行合理的优化设计。
通过合理的工艺设计，可以提高产品的转化率和选择性，降低生产成本，提高生产效益。
化工过程开发3固定床反应器的设计
化工过程开发3固定床反应器的设计固定床反应器是一种广泛应用于化工过程中的反应设备。
它主要用于催化反应，其中床层通常由固定的催化剂颗粒组成。
本文将探讨化工过程开发中固定床反应器的设计。
固定床反应器的设计主要涉及以下几个方面：床层形状和尺寸、催化剂选择、床层温度控制、床层压降控制以及反应器的运行和维护。
首先，床层形状和尺寸的选择非常重要。
床层的形状可以是圆柱形、长方形等，根据不同的反应系统和操作条件选择合适的形状。
床层的尺寸需要根据反应物料的物理性质、反应速率等因素综合考虑。
如果床层尺寸过小，会增加反应物料在床层中的流动阻力，导致催化剂效果降低；如果床层尺寸过大，会增加反应器的体积和成本。
其次，催化剂选择是固定床反应器设计中的关键因素之一、催化剂的选择应根据反应的特性和要求进行，例如选择具有高活性和选择性的催化剂，同时考虑催化剂的稳定性和寿命。
此外，催化剂的粒径和形状也需要根据床层形状和流体动力学要求来选择，以保证催化剂的颗粒间距合适，流体能够均匀地通过床层。
床层温度控制是固定床反应器设计中一个重要的方面。
反应器的温度对反应速率和产物选择性都有很大影响。
因此，需要对反应器进行良好的温度控制。
常见的温度控制方法包括在反应器中使用换热器或加热器来控制床层的温度，同时结合温度传感器和控制系统对温度进行实时监测和调节。
床层压降控制也是固定床反应器设计中的一个关键问题。
床层压降是指反应物料通过床层时所产生的阻力和压力损失。
过高的床层压降会影响反应器的运行效果和经济效益。
因此，需要通过合理的床层设计和压降控制手段来降低床层压降，例如选择合适的床层颗粒尺寸和形状、优化床层结构等。
最后，反应器的运行和维护也是固定床反应器设计中需要考虑的因素。
在反应器运行期间，需要定期检查床层的催化剂活性和物理状态，并根据需要进行催化剂的再生或更换。
此外，反应器还需要定期清洗和维护，以保证其正常运行和延长其使用寿命。
综上所述，固定床反应器的设计需要综合考虑床层形状和尺寸、催化剂选择、床层温度控制、床层压降控制以及反应器的运行和维护等方面。
固定床反应器设计
孔隙率分布
4、流体在固定床中流动的特性
流体在固定床中的流动情况较之在空管中的流动要复杂得多。 固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动，颗粒间空隙形成的孔道 是弯曲的、相互交错的，孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。
空隙率是孔道特性的一个主要反映。在床层径向，空隙率分布的 不均匀，造成流速分布的不均匀性。
催化剂微孔内的扩散过程对反应速率有很大的影响。反应物进入微孔后， 边扩散边反应。如扩散速率小于表面反应速率，沿扩散方向，反应物浓度 逐渐降低，以致反应速率也随之下降。采用催化剂有效系数对此进行定量 的说明。
实际催化反应速率 催化剂化剂内表面与外温度, 浓度相同时的反应速率
rP rS
结论：当 ≈1时，反应过程为动力学控制，当 ＜1时，反应过程为内
扩散控制。
内扩散不仅影响反应速率，而且影响复杂反应的选择性。如平行反应中， 对于反应速率快、级数高的反应，内扩散阻力的存在将降低其选择性。又 如连串反应以中间产物为目的产物时，深入到微孔中去的扩散将增加中间 产物进一步反应的机会而降低其选择性。
注意事项：
固定床反应器内常用的是直径为3~5mm的大颗粒催化剂，一般难 以消除内扩散的影响。实际生产中采用的催化剂，其有效系数为 0.01～1。因而工业生产上必须充分估计内扩散的影响，采取措施 尽可能减少其影响。在反应器的设计计算中，则应采用考虑了内扩 散影响因素在内的宏观动力学方程式。
外扩散过程
流体与催化剂外表面间的传质。
NA kcASe cGA cSA
在工业生产过程中，固定床反应器一般都在较高流速下 操作。因此，主流体与催化剂外表面之间的压差很小， 一般可以忽略不计，因此外扩散的影响也可以忽略。
结论：外扩散的影响也可以忽略。
固定床反应器的工艺设计
固定床反应器的工艺设计1. 引言固定床反应器是一种常见的化工设备，广泛应用于化学工业中的各种反应过程中。
它由一个固定的催化剂床和一个通过床上空隙流动的气体或液体组成。
通过适当的设计和调节，固定床反应器可以实现高效的反应转化率和产出。
本文将介绍固定床反应器的工艺设计，包括反应器的结构、催化剂选择、反应条件等方面的内容。
2. 反应器的结构固定床反应器一般由反应器本体、催化剂床层、进出料口、反应气体或液体的流动通道等组成。
其中，反应器本体一般采用合适的材料制成，以承受反应过程中的温度和压力。
催化剂床层通常由多层的填料或颗粒催化剂组成，以提供反应活性面积和流动通道。
为了实现高效的反应，固定床反应器通常还配备有预热器、冷却器、再生器等附属设备，以控制反应温度、催化剂活性和产物的分离等。
3. 催化剂的选择催化剂是固定床反应器中实现化学反应的关键组件。
在选择催化剂时，需要考虑反应的性质、反应温度和压力、催化剂的稳定性和活性等因素。
常见的催化剂包括金属催化剂、氧化物催化剂、酸碱催化剂等。
选择合适的催化剂可以提高反应的转化率和选择性，降低反应温度和压力，减少副反应和催化剂失活等问题。
4. 反应条件的确定反应条件的确定是固定床反应器工艺设计的重要环节。
反应条件包括温度、压力、反应物浓度、催化剂负荷量等因素。
在确定反应温度时，需要考虑反应的热力学平衡和动力学要求。
过高的温度可能导致副反应的发生和催化剂失活，而过低的温度则可能使反应速率过慢。
压力的选择取决于反应物的状态和反应的热力学平衡。
在固定床反应器中，通常会通过控制进料流量和床层压降来维持适当的压力。
反应物浓度对反应速率和选择性有直接影响。
合理选择反应物浓度可以提高反应转化率和产物选择性。
催化剂负荷量的确定需要考虑催化剂的活性和催化剂床层的透气性。
过高的催化剂负荷量可能导致流动阻力加大，而过低的负荷量则可能使反应活性降低。
5. 反应器的优化和改进固定床反应器的工艺设计是一个复杂的过程，通常需要通过试验和模拟来进行优化和改进。
第六章固定床反应器的工艺设计
第六章固定床反应器的工艺设计固定床反应器是一种常见的反应器类型，广泛应用于化工、石油化工等领域。
在固定床反应器的工艺设计中，需要考虑反应器的尺寸、材料选择、催化剂的选择和补给方式等因素。
本文将从这些方面介绍固定床反应器的工艺设计。
固定床反应器的尺寸设计包括反应器的长度、直径和体积等方面。
尺寸的选择应该根据反应物的性质、反应速率以及保持良好的传质和传热效果来确定。
通常情况下，反应器的直径在0.3-2米之间，体积在0.1-1000立方米之间。
反应器的长度一般要大于反应床的一层，以保证反应物在床层中有足够的停留时间和接触时间。
在材料的选择上，固定床反应器应选用耐高温、耐腐蚀和具有良好物理性能的材料。
常见的材料有不锈钢、镍基合金、钛合金等。
尤其对于高温反应和腐蚀性反应，选择合适的材料对保证反应器的使用寿命和安全性非常重要。
催化剂的选择对于固定床反应器的工艺设计来说也是至关重要的。
催化剂的性质直接影响着反应速率和产品选择性。
选用合适的催化剂可以提高反应效率和产物纯度。
常见的催化剂有金属催化剂、氧化物催化剂、分子筛催化剂等。
催化剂的选择要综合考虑反应物性质、反应条件以及经济因素。
对于固定床反应器的补给方式，常见的有逆流填料法、上升流填料法和下降流填料法等。
逆流填料法是指反应物和催化剂的进气方向相反，有利于反应物的分散和接触。
上升流填料法是指反应物和催化剂沿床层一同向上流动，适用于液相反应和气相-液相反应。
下降流填料法是指反应物和催化剂沿床层一同向下流动，适用于气相反应。
补给方式的选择要根据反应物的性质和反应条件来确定，以获得最佳的反应效果。
固定床反应器的工艺设计还需要考虑反应器的加热和冷却方式。
一般情况下，可以通过外部加热和冷却设备，如蒸汽、冷却水等来实现反应器的加热和冷却。
加热方式有直接加热和间接加热两种。
直接加热是指将加热介质（如蒸汽）直接送入反应器中进行加热，适用于高温反应。
间接加热是指通过换热器将加热介质与反应物进行热交换，适用于低温反应。
固定床反应器设计计算
固定床反应器设计计算固定床反应器是化工领域中常见的一种反应器类型，特点是固定催化剂床，反应物通过固定床的床层进行反应，反应产物从固定床的出口处得到。
固定床反应器设计是化工生产中的重要环节，涉及反应器的尺寸、催化剂的选择、操作条件的确定等方面。
下面将介绍固定床反应器设计的基本原理和计算方法。
1.催化剂床的选择：催化剂床的选择应根据反应物的性质和反应条件来确定。
常见的固定床催化剂床有球形、多孔材料和填料等，催化剂床的选择应考虑到活性、稳定性和成本等因素。
2.反应器尺寸的确定：反应器尺寸的确定与催化剂床的选择等因素有关。
反应器的长度、直径、催化剂床的高度等参数需要根据反应物的流量、反应速率和传质传热等条件进行计算。
3.操作条件的确定：反应器的操作条件包括温度、压力和流量等参数，这些参数的确定与反应物的性质、反应速率和反应体系等因素有关。
操作条件的设计需要尽可能提高反应速率和产物的选择性。
1.传质和传热计算：传质和传热是固定床反应器中重要的过程，需要考虑到传质和传热的速率以及催化剂床的吸附和扩散等因素。
传质和传热计算可以通过质量传递和能量传递方程进行，根据质量传递和能量传递方程可以计算出反应器中流体的温度和浓度分布。
2.反应动力学计算：反应动力学是固定床反应器设计中的关键环节，可以通过实验和理论模型来确定反应物的反应速率和产物的选择性。
反应物的反应速率可以通过实验测定得到，也可以通过理论模型进行计算。
反应物的选择性可以通过反应速率常数和转化率来计算。
3.负载平衡计算：固定床反应器的负载平衡是指催化剂床的催化剂负载均匀性和催化剂的失活过程。
负载平衡计算需要考虑到催化剂床的催化剂负载情况和催化剂的失活速率。
催化剂的负载均匀性可以通过实验和模拟计算得到，催化剂的失活过程可以根据反应动力学和传质传热过程进行计算。
以上是固定床反应器设计的基本原理和计算方法的介绍，固定床反应器设计是化工生产中的一个重要环节，需要充分考虑到传质和传热、反应动力学和负载平衡等方面的因素来确定反应器的尺寸和操作条件。
化工过程开发3固定床反应器的设计
单位体RH积＝床层流道的润润湿湿周面边积长 实＝际总上的小湿于润面Se积 ＝ Se
Se－床层中均匀颗粒的比表面积，即单位体积床层中颗粒的外表面积
ds－比表面当量直径
ds
6V p ap
固定床动量衡算式
流体流过固定床时所产生的压力损失主要来自两方面：（1 ）颗粒的粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦；（2）由
称为临界流化速度umf。
气流输送阶段：当流体速率更高时，如超过图中的E点时，整个床层 将被流体所带走，颗粒在流体中形成悬浮状态的稀相，并与流体一 起从床层吹出，床层处于气流输送阶段。E点之后正常的流化状态被
破坏，压降迅速降低，与E点相应的流速称为最大流化速度ut 。
(2) 临界流化速度umf • 临界流化速度可以通过P与u关系进行测定，也可以用公
1 xA
A yA0
xA
Gcp T T0 ΔHr cA0u0 xA xA0
T
T0
ΔHr cA0u0
Gc p
xA
xA0
xA
xA0
基本概念
空隙率 p ，颗粒密度或表观密度；堆密度B 和真密度t
B p 1 t 1 p 1
固定床的当量直径de=4RH（水力半径）
c A0 u0
dxA dL
Gc p
dT dL
H r
cA0 u0
dxA dL
积分得 Gcp T T0 ΔHr cA0u0 xA xA0
T
T0
ΔHr cA0u0
Gc p
xA
xA0
xA
xA0
c p 平均温度及平均组成下反应混合物的定压热容
单段绝热床有时受到温度和浓度的限制而需要用多段绝热 反应器完成。 对简单反应过程，其优化要求是希望在最少的催化剂用量 下完成，即在最大反应速率下进行。 对可逆放热反应则存在最佳温度分布。 对于复杂反应过程，为了追求高选择率，不仅对温度有限 制，有时还要求某一组分是低浓度。这时就不能期望用单 段绝热床达到这些要求，工业上往往采用多段式绝热操作 。 换热方式：间接换热式、直接换热式或冷激式
固定床反应器的设计与分析
固定床反应器的设计与分析固定床反应器是一种常见的化学反应装置，广泛应用于石油化工、化肥生产、煤制气等领域。
它以固体催化剂填充在反应器中，流动相经过催化床层进行反应。
固定床反应器的设计与分析是确保反应器安全高效运行的重要环节，下面将从反应器的选择、设计参数的确定以及反应器模型等方面进行详细介绍。
一、反应器的选择固定床反应器的选择首先要考虑反应物性质、反应条件和反应种类等因素，例如反应物的温度、压力、流速、浓度等。
此外，还需要考虑反应产物的性质和选择合适的催化剂。
根据反应物与催化剂的物理化学性质，选择最佳反应器类型。
二、设计参数的确定1.催化剂选择：根据反应种类和反应条件选择合适的催化剂。
催化剂应具有高活性、稳定性和选择性。
2. 催化床层厚度：催化床层厚度的选择应考虑反应物的传质和反应过程。
一般厚度在10-100mm之间。
3.反应器尺寸：根据所需的反应物流量和催化剂的体积大小，确定反应器的尺寸。
主要考虑的因素有反应物的通量和速度以及催化剂的床体积。
4.反应温度和压力：根据反应的热力学特征和催化剂的活性选择最适宜的反应温度和压力。
三、反应器模型固定床反应器的设计与分析通常需要建立数学模型来描述反应过程。
根据质量守恒、动量守恒和能量守恒原理，可以建立物质和能量的平衡方程。
其中，物质平衡方程描述气相和液相中物质的传递过程，动量平衡方程描述流体在反应器中的流动过程，能量平衡方程描述传热过程。
根据质量平衡方程可以得到反应速率方程，研究反应物在催化剂上的吸附和解离等过程。
同时，还可以通过基于浓度、温度和压力的热力学模型，计算反应的平衡常数和热力学参数。
四、反应器的分析1.反应速率：反应速率是反应器设计与分析的重要指标，可以通过实验或数值模拟方法确定。
反应速率受温度、压力、催化剂浓度和反应物浓度等多种因素的影响，需要通过实验或模拟来获得。
2.传质效果：传质过程是固定床反应器中反应物与催化剂之间物质传递的重要过程，影响反应的速率和选择性。
固定床反应器的工艺计算
固定床反应器的工艺计算固定床反应器是化工工业中常见的反应器之一，广泛应用于催化反应、气体-液体反应、气体-固体反应等领域。
本文将详细介绍固定床反应器的工艺计算，包括反应器设计、反应物的计算和反应的热力学计算等内容，以期为读者提供一些有关固定床反应器的基本知识和实际操作的指导。
固定床反应器设计是反应器工艺计算的核心内容之一、在固定床反应器设计时，要考虑多种因素，包括催化剂的选择、反应床的材料、反应器的尺寸和体积等。
首先，催化剂的选择至关重要，不同的反应需要选择适合的催化剂，催化剂的性能将直接影响反应的效果。
其次，反应床的材料需要具备一定的耐高温、耐腐蚀性能，以保证反应床的稳定性和寿命。
最后，反应器的尺寸和体积需要根据反应物料的量和反应条件进行合理的设计，以实现高效、稳定的反应过程。
反应物的计算是固定床反应器工艺计算的重要步骤之一、为了实现良好的反应效果，需要确保反应物的投入量与设计值相符。
反应物的计算要考虑多种因素，包括反应物的化学物质性质、反应物的摩尔量以及反应物的纯度等。
在进行反应物计算时，可以根据反应物的物质性质和反应条件确定反应物的摩尔量，并根据反应物的纯度计算出实际需要投入的反应物量。
反应的热力学计算是固定床反应器工艺计算的另一个重要部分。
在反应过程中，热量的释放或吸收会对反应速率和反应的平衡产生重要影响。
热力学计算主要包括反应焓变的计算和反应热平衡的计算两个方面。
在进行反应焓变的计算时，可以利用热力学数据和反应物的化学物质计算反应的焓变。
反应热平衡的计算则是根据反应物的摩尔比例和反应焓变计算出反应的热平衡常数，以预测反应的方向和平衡状态。
总之，固定床反应器的工艺计算是一项复杂的任务，需要考虑多种因素，包括反应器的设计、反应物的计算和反应的热力学计算等。
通过合理的工艺计算，可以实现反应器的高效、稳定运行，提高反应的产率和选择性，为工业生产提供有力支持。
固定床反应器的设计与分析
床层的传热系数ht的经验计算式
对于球形颗粒：
htdt
f
2.03Re0.8exp(6dP/dt)
(6.2-5)
此式的适用条件为 20＜Re＜7600 及 0.05＜dP／d t＜0.3。d t 为床层直径，dP为颗粒比外表面积相当直径。Λf为流体的 导热系数。
若颗粒为圆柱形
htdt
f
1.26Re0.95exp(6dP/dt)
(6.2-6)
此式的应用范围是20＜Re＜800，0.03＜dP／d t＜0.2。 ※ hf不能用以计算床层的径向温度分布。
TC
T0
Tf Tf
T0
逆流
并流
图6.1-3 自热式反应器示意图
整理课件
整理课件
7.2 固定床中的传递过程
一、床层空隙率
表征床层结构的主要参数为床层空隙率，床层 空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径 与床直径之比以及颗粒的充填方法等有关。
固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的， 对于粒度均一的颗粒所构成的床层，在与器壁距 离为1～2倍颗粒直径处，空隙率最大，床层中心 较小，这种影响，叫做壁效应。
★ 由于在生产流程中，流体的压头有限，床 层压降往往有重要影响，因此一般固定床中 的压降不宜超过床内压力的15％。所以颗粒 不能太细，而且最好都能做成圆球状，气流 速度也应适可而止，因为流速与压降是平方 关系，它比其它因素对压降更为敏感。
整理课件
★ 如果填充物料是一些不同尺寸的颗粒，或是一
些细长形的颗粒，则易产生空隙率不均匀而形成 偏流。对于列管式反应器，往往有上千根管子都 要装填催化剂，因此要求各管装量相同，压降均 等，否则气体偏流的结果，将使各管反应程度不 一，温度不一，和失活速度不一，从而使产品的 数量和质量都受到严重影响。
固定床反应器的工艺设计
固定床反应器的工艺设计固定床反应器是一种常见的化工设备，用于进行气体相催化反应，广泛应用于石油化工、化学工业等领域。
其工艺设计主要包括催化剂选择、反应器尺寸确定、流体力学设计和工艺参数确定等方面。
首先，催化剂的选择是固定床反应器工艺设计的核心之一。
催化剂的选择要考虑反应物的性质、反应条件和反应产物要求等因素。
常见的催化剂有贵金属系催化剂、氧化铝、硅负载催化剂等。
选择合适的催化剂不仅要考虑其催化性能，还要考虑催化剂的抗毒性、抗烧结性等因素。
接下来是反应器尺寸的确定。
固定床反应器的尺寸主要包括反应器直径、高度和床层厚度等。
反应器直径的确定要考虑气体分布均匀性和催化剂利用率等因素。
反应器高度的确定则要考虑反应物在反应过程中的转化率和反应物的停留时间。
床层厚度的确定要考虑反应物在固定床中的扩散速度和反应物的速度等因素。
流体力学设计是固定床反应器工艺设计的重要环节。
要保证流体在固定床中的均匀分布和床层内的有效接触，一般采用多孔介质来增加气流的接触面积。
此外，要考虑流体在固定床反应器中的压降，以确保反应过程中的稳定性。
通过合理设置入口和出口等设备，减少压降是流体力学设计的目标之一。
最后是工艺参数的确定。
固定床反应器的工艺参数包括反应温度、压力和空间速度等。
反应温度的确定要考虑反应物的活化能和热效应等因素。
反应压力的确定要考虑反应平衡和反应物的物性等因素。
空间速度则是反应物进入反应器的流量与催化剂床体积的比值，决定了反应物在固定床中的停留时间和转化率。
综上所述，固定床反应器的工艺设计涉及到催化剂选择、反应器尺寸确定、流体力学设计和工艺参数确定等方面。
只有在这些方面合理设计并综合考虑的基础上，才能实现固定床反应器的高效运行和优化生产。
固定床反应器的工艺设计是化工工程中的重要环节之一，其设计的合理与否直接影响到反应器的运行效果和生产效益。
在固定床反应器的设计中，首先需要选择合适的催化剂。
催化剂的选择应综合考虑反应物的性质、反应条件以及所要求的产物品质等因素。
固定床列管式反应器的设计03(决赛国学改)
2.3 换热面积
................................................................................................................................. 17
三 设备尺寸计算 ............................................... 18
B 操作条件说明：
1.反应方程式：CH2CHCH3+O2→CH2CHCHO 该步骤中会有副反应发生，副反应产物为乙酸和丙酸等。 进料状态: 丙烯是液态进料，经过丙烯蒸发器后变为气体进入预混合器，空气经过空气压缩机进 入预混合器，水直接以液态水形式进入预混合器。 2.工艺条件确定：使用 Mo-Bi 系列催化剂。在温度为 325℃时候单程的丙烯醛收率为 90.2％，丙烯酸的收率为 6.0％，总收率为 96.2％。原料组成反应器一的物料衡算表格可 以确定。反应温度控制在 320℃左右，出料温度为 250℃，该反应是放热反应，反应产生 的热量要及时通过熔盐经熔盐换热器带走。 反应温度 反应温度对选择性、空时收率及出口气中各组分气体含量有一定关系。当选择操作温 度比较低时，反应的选择性较好，但空时收率较低；随着温度的升高，反应选择性略有下 降，与此同时空时收率在逐渐提高。温度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ续升高，由于完全氧化副反应的加剧，使得反 应选择性明显下降，而且因为大量的氧气被消耗在完全氧化副反应上，使得反应器出口气 中氧气的含量大幅度地减少，并有一定量的一氧化碳生成，而一氧化碳的存在可使催化剂
3.1 反 应 器 筒 体 直 径 ...................................................................................................................7 3 .2 反 应 器 高 度 ..........................................................................................................................8 3.3 筒体和封头厚度........................................................................................................................8
固定床反应器的设计计算
四、固定床反应器的设计计算固定床反应器的设计方法主要有两种：经验法和数学模型法。
经验法的设计依据主要来自于实验室、中间试验装置或工厂实际生产装置的数据。
对中间试验和实验室研究阶段提供的主要工艺参数如温度、压力、转化率、选择性、催化剂空时收率、催化剂负荷和催化剂用量等进行分析，找出其变更规律，从而可预测出工业化生产装置工艺参数和催化剂用量等。
固定床反应器的主要计算任务包含催化剂用量、床层高度和直径、床层压降和传热面积等。
(一)催化剂用量的计算经验法比较简单，常取实验或实际生产中催化剂或床层的重要操纵参数作为设计依据直接计算得到。
1．空间速度空间速度Sv指单位时间内通过单位体积催化剂的原料处理量，单位为s-1。
它是衡量固定床反应器生产能力的一个重要指标。
(2-36)式中：2．停留时间停留时间r指在规定的反应条件下，气体反应物在反应器内停留的时间，单位为s。
式中：；停留时间与空间速度的关系为。
(二)反应器床层高度及直径的计算催化剂的用量确定后，催化剂床层的有效体积也就确定。
很明显，床层高度增高，床层截面积将变小，操纵气速、流体阻力(动力)将增大；反之，床层高度降低必定引起截面积(直径)增大，对传热晦气或易发生短路等现象。
因此，床层高度与直径应通过操纵流速、压降(即动力消耗)、传热、床层均匀性等影响因素作综合评价来确定。
通常，床层高度或直径的计算是根据固定床反应器某一重要操纵参数范围或经验选取，然后校验其他操纵参数是否合理，如床层压降不超出总压力的15％。
床层高度与直径的计算步调如下。
蒋文举主编.大气污染控制工程.高等教育出版社,2006.11.第四节影响催化转化的因素影响催化净化气态污染物的因素很多，但主要有反应温度、床层气速、操纵压力和废气的初始组成。
一、温度催化反应是在催化剂的介入下进行的，反应的快慢与催化剂的活性有关。
催化剂活性又与反应温度密切相关，因而对于伴随热效应的催化反应，温度的调节和控制对净化设备的生产能力、净化效果均有很大影响。
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(6-10)
设计方程：
Fyodx = kCHdV 由于反应涉及到体积变化，对此，必须加以考虑 。
例如： aA + bB → pP +qQ
（6-12）
设A为数量有限的反应物。 开始时，
NTo = NAo +NBo
(6-13)
NAo = yoNTo
NBo = (1-yo)NTo = (1-yo)NAo/yo
(6-16)
对于乙烯加氢：
1克分子乙烯 十 1克分子氢气 → 1克分子乙烷 a = 1, b = 1, p = 1, q = 0
NT = (1-yoxA)NTo 又因为，
（6-18）
对于乙烯加氢这个反应：
设计方程变为：
将上式积分得： V = （RTFyo/（kP））[xA + ln（（yo-1+yoxA）/（yo-1））] 现在用上式计算一个试验室反应器。 yo = 0.49 F(总进料)=2.0×10-8 kmo1／s R(气体常数)= 0.08314 m3 bar／(kmo1.K) R(气体常数)＝8.314kJ／(kmol.K) T＝67℃十273.2＝340.2K k = 5.96×106exP(一55731／RT) kmol／(s. m3) 希望：xA＝1.0
Fyodx = rvdV = rvAcdz
Fyodx(-∆H) = ∑miCpidT
式中, (-∆H)——整个反应系统的反应热； mi—每一种反应物(包括反应物和产物)的克分子流量， kmo1／s； Cpi——每一种反应物的克分子热容量，kmol／(kmo1.K)。
设计用于放热反应的固定床气体反应器
中。由于把37.85 l／min的水循环通过夹套，因而可得
到大于5.67kJ／(m2 S K)的水膜传热系数和恒定的管壁
温度。在此反应器内，9—79℃范围内的各种恒定温度
下进行的许多试验证明，对氢气来说，式(6-9)表示的
反应是一级的。通过给定下列条件可写出反应速率方
程：rvLeabharlann = kCH 该系统中， η = 1
• 方法4
第四个方法是在反应器进料中加入一种惰性气或 一种过量的反应物，其作用好象一个受热器一样，吸 收大部分放出的热量，这样，对给定的转化率而言， 就减小了温升。和其他方法相比，此法有一严重缺点 ，即为了容纳惰性气或过量的反应物，需要增大反应 器的尺寸。
第四个方法派生出来的一个方法是加入一种惰性液 体，它在反应器的通常压力下，其沸点接近反应温度 ，反应放出的热使惰性液体蒸发，这样，其所吸收的 大量热量就满足了潜热的需要。在某些情况下，和采 用纯气相方没相比，这种方法反应速率比较低。此方 法的缺点是需要的反应器大而贵。
固定床反应器的工艺设 计
2020年4月24日星期五
有时反应速率方程用分压而不是用浓度表示: rvp = A exp (-E/RT)PaαPbβ
式中，P是反应物或产物的分压，bar rv和rvp之间的关系是: rvp = rv (RT)α+β 式中R = 0.08314 m3 bar/(kmol K)
Fyodx = rvAcdz
(6-8)
压降方程 开始可计算出∆P／z值，而后在每一步进行适当的压力校正。
实例，恒温反应器设计
H2C＝CH2十H2 → CH3一CH3
（6-9）
这是一个放热反应，但它可在很小的恒温反应器中进行
。铜—氧化镁为催化剂，把这些催化剂装在一个内径
为9.35mm、长为280mm带水夹套的黄铜制的反应器管
• 如果没有一个方法能妥善地解决放出的热量问题，则 必须考虑气体反应在下列反应器中的一种内进行：
• 流化床反应器； • 带有一种惰性液体的气-液相反应器 • 非恒温非绝热固定床气体反应器
一维塞流模型
绝热气体反应器最简单的模型是一维塞流模型, 为了适应 此模型，反应器必须符合下列条件:
• ·反应器和周围环境不应有热交换(绝热条件)。 • ·通过固定床催化剂床的流动应该是在床层内任何一点
反应物流的线速度都是相同的。 • ·不应有轴向扩散。 • 不应有径向扩散。
一维模型绝热固定床气体反应器的设计
(6-14)
在达到转化率分数xA后:
NT = NA + NB + NP + NQ
= NAo (1-xA) + NBo – (b/a)NAoxA + (p/a)NAoxA + (q/a)NAoxA
= NTo – NToyoxA·((a+b-p-q)/(a+b))·(a+b)/a
(6-15)
令 d’ = (a+b-p-q)/(a+b)
• 对绝热反应器的限制是由限定的出口温度t最大决定的 ，达到此温度标志着某些不理想的过程如副反应、选 择性不良和催化剂严重结垢开始出现。如末达到所要 求的转化率x，温度就已上升到限制温度，此时，可采 用几个方法中的一个在温度不超过t最大的情况下来提 高x使其达到所要求的值。
• 方法1 (1)把催化剂体积分成两个或两个以上的床层，以便使 每一床层都达到t最大； (2)用间接换热器冷却两相邻床层之间的气体反应物使 其回到第一床层入口温度to
假定P＝1.0 bar，
• 如反应器内径为1cm，则反应器高度将为 89.1 cm。
6.2 绝热气体反应器
定义 绝热反应器是一种和周围没有热交换的反应器。因此，如果 放热反应是在绝热固定床反应器中进行，则气流的温度将沿 着入口到出口的方向增加。另一方面，如果吸热反应是在同 样的反应器中进行，则气流的温度将会沿着反应器的长度降 低。
设计方程
dV = Acdz
进入的克分子数＝出来的克分子数 十 积聚的克分子数 十 通过 反应损耗的克分子数
在稳态操作时，反应器中没有物料积聚，或没有物料从反应器中
放出,
Fyo = Fyo(1-dx) + rvdV 整理得: Fyodx = rvdV 将(6-4)代入(6-7)得:
(6-6) (6-7)
• 方法2
如果所用间接换热器反应温度太高的话，则可采 用第二个方法，把一种冷的反应物喷入两相邻床层之 间的反应物流中，把反应物冷却到To．由于补充了一 种被消耗的反应物，这种直接冷却或急冷方法又有使 反应朝着所要求的方向进行的优点。
• 方法3
第三个方法是一种老的德国分段急冷的技术，虽 然目前仍在使用，但其缺点是波动很大，且难于设计 。